En tant que dépositaire de l'information génétique, l'ADN occupe une place unique et centrale parmi les macromolécules biologiques. La structure de l'ADN est un dispositif merveilleux pour le stockage de l'information génétique. Le terme «métabolisme de l'ADN» peut être utilisé pour décrire le processus par lequel des copies de molécules d'ADN sont faites (réplication) avec réparation et recombinaison.
Dans ce chapitre, nous discutons brièvement du métabolisme de l'ADN chez les plantes.
Réplication de l'ADN: Dans la double hélice, les deux brins parentaux d'ADN se séparent et chaque brin parental synthétise un nouveau brin complémentaire. La réplication de l'ADN est semi-conservative, c'est-à-dire que chaque nouvelle molécule d'ADN conserve un brin d'origine.
Réparation de l'ADN : comment la stabilité génomique est-elle maintenue dans tous les organismes vivants ? Comment les organismes terrestres survivent-ils ? Qu'est-ce qui est indispensable à leur survie ?
L'ADN est unique car c'est la seule macromolécule où existe le système de réparation, qui reconnaît et supprime les mutations. L'ADN est soumis à divers types de réactions dommageables telles que des agents spontanés ou environnementaux ou des menaces endogènes naturelles. Ces dommages sont corrigés par des enzymes et des protéines de réparation, immédiatement après que les dommages ont eu lieu. Le système de réparation de l'ADN joue un rôle majeur dans le maintien de l'intégrité génomique / génétique de l'organisme. Les systèmes de réparation de l'ADN protègent l'intégrité des génomes des stress génotoxiques.
Recombinaison : dans les cellules, les informations génétiques à l'intérieur et entre les molécules d'ADN sont réarrangées par un processus appelé recombinaison génétique. La recombinaison est le résultat d'un croisement entre les paires de chromosomes homologues au cours de la méiose. Dans les cours précédents, vous avez appris la recombinaison chromosomique. Au niveau moléculaire, cela implique la rupture et la réunion des polynucléotides.
1. Réplication de l'ADN eucaryote
La réplication commence à un site spécifique sur une séquence d'ADN connue sous le nom d'origine de réplication. Il existe plusieurs origines de réplication chez les eucaryotes. Saccharomyces cerevisiae (levure) a environ 400 origines de réplication. La réplication de l'ADN chez les eucaryotes commence par l'assemblage d'un complexe de préréplication (preRC) composé de 14 protéines différentes. Une partie d'un preRC est un groupe de 6 protéines appelées le complexe de reconnaissance d'origine (ORC) qui agit comme initiateur dans la réplication de l'ADN eucaryote. L'origine de la réplication dans la levure est appelée sites ARS (Autonomously Replicating Sequences). Chez la levure , l'ORC a été identifié comme un complexe protéique qui se lie directement aux éléments ARS.
La fourche de réplication est le site (point de déroulement) de séparation des brins d'ADN parentaux où de nouveaux brins filles sont formés. Des fourches de réplication multiples se trouvent chez les eucaryotes. Les hélicases enzymatiques sont impliquées dans le déroulement de l'ADN en rompant les liaisons hydrogène retenant les deux brins d'ADN et la protéine de réplication A (RPA) empêche le brin de polynucléotide séparé de se rattacher.
La topoisomérase est une enzyme qui rompt les liaisons covalentes de l'ADN et supprime le surenroulement positif avant la fourche de réplication. Il élimine les contraintes de torsion causées par le déroulement de la double hélice d'ADN.
La réplication de l'ADN est initiée par une enzyme ADN polymérase α / primase qui synthétise un court tronçon d'amorces d'ARN sur le brin principal (brin d'ADN continu) et sur les brins retardés (brin d'ADN discontinu). Des amorces sont nécessaires car l'ADN polymérase nécessite un OH 3' libre pour initier la synthèse. L'ADN polymérase relie de manière covalente les nucléotides à l'extrémité de croissance du nouveau brin d'ADN.
L'ADN Pol α (alpha), l'ADN Pol δ (delta) et l'ADN Pol ε (Epsilon) sont les 3 enzymes impliquées dans la réplication de l'ADN nucléaire.
ADN Pol α - Synthétise de courtes amorces d'ARN
ADN Pol δ - Principale enzyme de réplication du noyau cellulaire
DNA Pol ε - Étendre les brins d'ADN dans la fourche de réplication
L'ADN polymérase β ne joue aucun rôle dans la réplication de l'ADN normal. Fonction Suppression des bases incorrectes de l'ADN endommagé. Il est impliqué dans la réparation par excision de base.
La synthèse d'ADN a lieu dans la direction 5' → 3' et est semi-discontinue. Lorsque l'ADN est synthétisé dans la direction 5' → 3', seul l'ADN à l'extrémité 3' libre (extrémité OH) est allongé. Dans les années 1960, Reiji Okazaki et ses collègues ont découvert que l'un des nouveaux brins d'ADN est synthétisé en petits morceaux appelés fragments d' Okazaki . Le brin discontinu où les fragments d'Okazaki sont unis par la ligase est appelé brin retardé où la direction de réplication est 5 '→ 3', ce qui est opposé à la direction du mouvement de la fourche.
Le brin continu est appelé brin principal où la direction de réplication est 5' -> 3' qui est identique à la direction de celle du mouvement de la fourche de réplication. L'ADN ligase relie toutes les entailles de l'ADN en formant une liaison phosphodiester entre le groupe 3' hydroxyle et le groupe 5' phosphate.
Séquence des télomères d'Arabidopsis - TTTAGGG
Les plantes manquent d'horloge de télomères
Les cellules méristématiques végétales produisent de la télomérase, de sorte que les cellules méristématiques ont une capacité illimitée à se diviser. Vous avez déjà étudié les télomères dans les chapitres 6 et 8 de la classe XI. Chez les plantes, les télomères ne rétrécissent pas comme dans les cellules somatiques des vertébrés. Les niveaux de télomérase sont plus élevés dans les extrémités des racines et les semis (tissu renouvelable) qui ont une plus grande quantité de cellules méristématiques que les structures prolifératives comme les feuilles.
Quel est le mécanisme spécial qui réplique les extrémités chromosomiques ?
Après la réplication des chromosomes, l'enzyme télomérase ajoute plusieurs répétitions supplémentaires de séquences d'ADN aux télomères. La télomérase utilise de courtes molécules d'ARN comme matrice et ajoute des séquences répétées aux télomères (polymérisation des nucléotides d'ADN).
L'énergétique de la réplication de l'ADN - Les désoxyribonucléotides tels que la désoxyadénosine triphosphate dATP, dGTP, dCTP et dTTP fournissent de l'énergie pour la synthèse de l'ADN. Le but des désoxyribonucléotides (1) agit comme un substrat (2) fournit de l'énergie pour la polymérisation.
2. Preuve expérimentale de la réplication de l'ADN : l'expérience de Taylor
J. Herbert Taylor, Philip Woods et Walter Hughes ont démontré la réplication semi-conservatrice de l'ADN dans les cellules racinaires de Vicia faba . Ils ont marqué l'ADN avec de la thymidine 3H, un précurseur radioactif de l'ADN et ont effectué une autoradiographie. Ils ont fait pousser des bouts de racine dans un milieu en présence de thymidine radiomarquée, de sorte que la radioactivité a été incorporée dans l'ADN de ces cellules. Le contour de ces chromosomes marqués apparaît sous la forme de points noirs dispersés de grains d'argent sur un film photographique.
Les extrémités des racines avec des chromosomes marqués ont été placées dans un milieu non marqué contenant de la colchicine pour arrêter la culture à la métaphase et examiner le chromosome par autoradiographie. Les observations étaient,
1. Dans le chromosome de première génération, la radioactivité s'est avérée être distribuée aux deux chromatides car dans le brin d'origine de l'ADN, la double hélice était marquée par la radioactivité et le nouveau brin n'était pas marqué.
2. Dans le chromosome de la deuxième génération, une seule des deux chromatides de chaque chromosome était radioactive (marquée).
Les résultats ont prouvé la méthode semi-conservative de réplication de l'ADN.